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	Horváth-Militicsi Attila
	Le F.L.E. spécialisé 3

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	LES SUPRACONDUCTEURS

I.	DÉFINITION
	SUPRACONDUCTIVITÉ
	Conductivité très élevée que présentent certains corps aux températures voisines du zéro absolu. (In Dictionnaire HACHETTE 2007)
II.	Un peu d'histoire
	La supraconductivité a été découverte le 8 avril 1911, à l'Université de Leyde par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes (né le 21 septembre 1853, à Groningue - décédé le, 21 février 1926, à Leyde). En 1913, il reçoit le Prix Nobel de Physique, pour ses recherches dans cette nouvelle branche de la science. Au début du XXème siècle, on savait que le courant électrique était un déplacement d'électrons dans un matériau conducteur. Par conséquent, selon Lord Kelvin (né á Belfast, le 26 juin 1824 décédé á Largs, le 17 décembre 1907) à la température de zéro absolu soit -273 C° tout était censé se figer, y compris les électrons. Le professeur Onnes a soumis du mercure dans de l'hélium liquide à une température de 4,22 kelvins (K) c.-à-d. -268,93 C°. À cette température-ci, la résitence électrique du mercure s'affaiblssait de plus en plus. Cependant à 4,23 K soit à -268,92 C° la résistance du mercure a brutalement chuté à zéro.
	C'est ainsi qu'est née la supraconductivité - la faculté extraordinaire acquise par certains métaux ordinaires, tels le mercure, le plomb, l'étain, etc., en dessous d'une température critique à conduire le courant électrique sans lui opposer aucune résistance et pratiquement sans dissiper aucune chaleur.
	C'est en 1933, que l'on a pu seulement comprendre le comportement de la supraconductivité sous les températures froides quasi absolues. Deux chercheurs, Walter Meissner et Robert Ochsenfeld découvrent qu'une matière supraconductrice repousse un champ magnétique (voir fig. 279-3).
	Un aimant se déplaçant près d'un conducteur envoie des courants électriques dans le conducteur - c'est le principe de fonctionnement des générateurs électriques. Par contre, dans un supraconducteur, les courants électriques envoyés reproduisent exactement le champ qui aurait par ailleur pénétré le matériel du supraconducteur et repousse ainsi l'aimant. Cet effet de "démagnétisation" est également connu sous l'appellation d' "effet de Meissner". Grâce à ce phénomène, un aimant peut être soulevé et léviter au dessus d'une matière supraconductrice.

fig. 279-3 : Champ reproduit par l'effet de Meissner ou démagnétisation

	Lors de sa découverte en 1911, la température critique (Tc) du métal supraconducteur était de 4 K. Quelques décennies plus tard, en 1941, grâce à un nouvel alliage (de Niobium-Nitride) cette température passa à 16 K (-257,15 C°), en 1953 avec un alliage de Silicium-Vanadium à 17,5K (-255,65 C°). En 1986, cette température passa à 30K (-243,15 C°) avec un composé de céramique fragile. En ajoutant un peu de plomb à ce composé, on arriva la même année à 58K (-215,15 C°). Actuellement la plus haute température critique utilisée pour la création de la supraconductivité est au-dessus de 138K (-135,15C°).
III.	La théorie BCS c'est quoi ?
	Cette théorie de la supraconductivité a reçu son appellation d'après les initiales des noms de 3 chercheurs américains : John BARDEEN, Leon COOPER et John SCHRIEFFER. Ces trois chercheurs ont reçu le Prix Nobel en 1972 pour leur trouvaille. Cette théorie mathématique complexe expliquait le fonctionnement de la supraconductivité aux températures très basses, avoisinant le zéro absolu (-273,15 C°) pour des éléments et des alliages simples. Malheureusement la théorie BCS est devenue inadéquate lorsqu'il a fallu expliquer le phénomène de la supraconductivité avec des systèmes supraconducteurs différents, plus complexes et arrivant à des températures critiques beaucoup plus hautes.
IV.	Quels savants ont contribué à la recherche sur la superconductivité ?
	Treize savants ont reçu le Prix Nobel de Physique lié aux recherches sur la supraconductivité au cours des 100 dernières années. Qui sont-ils ? Qu'ont-ils découvert ?
1.	Heike Kamerlingh ONNES, Pays-Bas (1853-1926, Prix Nobel 1913)
	Le professeur ONNES fut à l'origine de deux découvertes majeures : la liquéfaction de l'hélium et la supraconductivité. Ses recherches ont ouvert un nouveau champ de recherches aux générations suivantes de chercheurs. Le 8 avril 1911, avec son assistant Gilles HOLST, il arriva à donner une réponse à une question simple : Que devient la résistance électrique d'un métal dont la température critique se rapproche du zéro absolu ? Il fit alors une découverte inouïe : la résistance n'augmentait pas (comme elle aurait dû selon la théorie de lord KELVIN), mais au contraire elle chutait brutalement à zéro. Le même jour, il observa pour la première fois un autre phénomène - celui que l'on appelle aujourd'hui la suprafluidité de l'hélium - l'hélium s'arrêtait de bouillir à 2 degrés du zéro absolu. En 1913, il reçut le Prix Nobel de Physique "pour les recherches accomplies sur les propriétés des matériaux à des températures basses, qui lui ont par conséquent permis la production d'hélium liquide."
2.	Walther MEISSNER, Allemagne (1882-1974)
	Il fut un des maîtres en Allemagne de l'étude des basses températures. Après avoir installé le premier liquéfacteur d'hélium allemand en 1925, il découvrit en 1933 avec son collègue Robert OCHSENFELD l'effet qui est appellé aujourd'hui "effet de Meissner" (fig.279-3) : lorsqu'un métal simple comme l'étain devient supraconducteur, il expulse le champ magnétique de son volume. Ainsi le supraconducteur devient une cage de Faraday pour les champs magnétiques et permet la lévitation des aimants. Cet effet est également appellé "démagnétisation".
3.	Fritz LONDON, Pologne (Breslau/Wroclaw,1900-1954)
	Il travailla en 1933 à Oxford avec son frère Heinz sur la supraconductivité, puis à l'Institut Henri Poincaré à Paris en 1938, date à laquelle il proposa de comprendre la superfluidité de l'hélium comme une manifestation de la condensation de Bose-Einstein, c.-à-d. comme un phénomène purement quantique, devenant visible à l'échelle macroscopique. En septembre 1939, il quitta la France pour l'Université Duke aux États-Unis pour y remplir le poste de professeur au département de chimie. Einstein proposa d'attribuer le Prix Nobel à Fritz London, mais le candidat mourut prématurément en 1954.
	Les "équations de London" montrent qu’un champ magnétique ne pénètre qu’à la surface d’un matériau supraconducteur, parce que l’absence de collisions entre électrons permet un transport d’électricité sans pertes.  La "longueur de London" caractérise la distance maximale de pénétration d’un champ magnétique dans un supraconducteur.
	Pour John Bardeen, un des auteurs de la théorie BCS de la supraconductivité, c’est Fritz London qui fit faire à la physique quantique le grand saut de l’échelle microscopique des atomes et molécules jusqu’au monde macroscopique de la matière à l’échelle humaine.
4-6.	Lev LANDAU (1908-1968, Prix Nobel 1962), Vitaly GINZBURG (1916-2009, Prix Nobel 2003), Alexei ABRIKOSOV (1928-, Prix Nobel 2003), URSS
	Le physicien russe Lev LANDAU a contribué de façon décisive à la recherche de plusieurs domaines scientifiques : physique quantique, magnétisme, transitions de phase, compréhensions des métaux, plasma, électrodynamique quantique, neutrinos,... Entre autres, il a proposé un modèle de la superfluidité de l'hélium, pour lequel il reçut le Prix Nobel en 1962.
	LANDAU avec son collègue Vitaly GINZBURG développe une théorie, selon laquelle le supraconducteur est une onde quantique et qu'étant donné que l'état supraconducteur est plus ordonné que l'état non-supraconducteur, c'est justement cette onde et son amplitude qui permettent de mesurer cette ordre. Selon eux il ne s'agit pas d'une loi fondamentale, mais plutot d'intuitions énergétiques et thermodynamiques qui les aient menés aux bonnes équations. Une fois équipés de ces deux équations, les deux physiciens ont pu prédire le comportement d’un supraconducteur en température, l’effet qu’aura un champ magnétique sur celui-ci, la distance qu’il faut à l’ordre supraconducteur pour s’établir c.-à-d. quelle est sa longueur de cohérence, etc.
	Á partir de cette théorie-lá, des deux équations, un troisième physicien russe, Alexei ABRIKOSOV, a pu prévoir en 1952 un comportement curieux : à des champs magnétiques suffisamment élevés, certains supraconducteurs devraient, selon son calcul, devenir de vrais gruyères magnétiques, le champ pouvant y pénétrer le long de petites colonnes appelées vortex, autour desquelles tourbillonnerait un supercourant électrique. Ces vortex devraient même s’organiser en un réseau triangulaire. En 1964 les vortex seront observés expérimentalement, et ils constitueront par la suite un des ingrédients essentiels à toute compréhension et application de la supraconductivité. Ce sont ces vortex qui permettent de comprendre pourquoi un aimant qui lévite au dessus d’un supraconducteur semble comme accroché par celui-ci. Abrikosov et Ginzburg recevront en 2003 le Prix Nobel pour leurs travaux.
7-9.	John BARDEEN (États-Unis, 1908-1991, Prix Nobel 1956, 1972), Léon COOPER (États-Unis, 1930-, Prix Nobel 1972), Robert SCHRIEFFER (États-Unis, 1931-, Prix Nobel 1972)
	Après avoir proposé en 1957, une théorie portant les initiales de leur noms (BCS), les trois physiciens américains John BARDEEN, Léon COOPER et Robert SCHRIEFFER reçoivent le Prix Nobel en 1972, pour avoir compris la supraconductivité dans les métaux et les alliages.
	Précédemment, John Bardeen avait déjá reçu un Prix Nobel en 1956 avec Brattain et Shockley pour la découverte de l'effet transistor - ce qui allait révolutionner l'éctronique moderne.
	La question que se sont posée les 3 physiciens était : comment expliquer la supraconductivité ? Ils cherchent un modèle qui permette de comprendre comment les électrons peuvent former ensemble une fonction d’onde collective, qui présente de plus un "gap" c’est-à-dire comme un fossé dans son spectre d’énergie. C’est Cooper qui fait le premier pas décisif en montrant que les électrons pouvaient déjà se mettre par deux à basse température, formant ce qu’on appelle depuis une " paire de Cooper". Les trois physiciens parviennent alors à développer le formalisme pour décrire non seulement la fonction d’onde collective formée par ces paires, mais aussi à prévoir son comportement. Ils publient un article, en 1957 dans le journal "Physical Review" sous l'appellation de " théorie de la supraconductivité" qui deviendra la référence de la supraconductivité par la suite. Non seulement leur théorie permet de retrouver tous les résultats expérimentaux mesurés depuis 40 ans, mais elle prédit également de nouveaux comportements originaux. Par exemple le taux de relaxation RMN doit augmenter avant de chuter quand le matériau devient supraconducteur, un résultat étrange, mais vérifié peu après par Charles Slichter.
	Cette théorie a pu être vérifiée depuis plus de 50 ans dans le cas de la plupart des métaux et des alliages supraconducteurs. Cependant, elle semble échouer en partie dans le cas de certains nouveaux supraconducteurs. À ce jour, on n'a encore pu trouver de théorie expliquant clairement le comportement de ceux-ci.
10-11.	Brian JOSEPHSON (Grande-Bretagne, 1940-, Prix Nobel 1973) et Ivar GIAEVER (Norvège, 1929-, Prix Nobel 1973)
	Les physiciens Brian Josephson et Ivar Giaever ont reçu le Prix Nobel en 1973 pour leur contributions liées à l’effet tunnel dans les supraconducteurs. Quand on sépare deux supraconducteurs par une petite tranche d’isolant ou de vide, les paires de Cooper peuvent "voyager" par effet tunnel à travers cette barrière, pour peu qu’elle soit assez fine. Cet effet connu dans les métaux a permis de développer les microscopes à effet tunnel.
	Ivar Giaever eut le premier l’idée de réaliser cette expérience avec les supraconducteurs, auprès du laboratoire de la General Electric Research, au Canada, au début des années '60. Ainsi, entre autres, il put mesurer le "gap", cette énergie du condensat supraconducteur prédite théoriquement par les physiciens américains Bardeen, Cooper et Schieffer, quelques années auparavant.
	Brian Josephson, apres avoir découvert les expériences de Giaever, calcula durant sa thèse à Cambridge, qu’un supercourant devait apparaître dans une barrière tunnel sans application d’une tension ! Ce courant dit "courant de Josephson " existe non seulement en l’absence d'une tension électrique, mais en plus, il dépend curieusement sinusoïdalement de la différence entre les phases des ondes supraconductrices de part et d’autre de la barrière.
	Brian Josephson put aussi prévoir que, lorsqu’on applique une tension continue à cette barrière, il apparaît cette fois un nouvel effet alternatif. Ses prédictions, vérifiées depuis, permirent le développement des SQUIDs (abréviation de Superconducting Quantum Interference Device), de petits dispositifs utilisant ces barrières tunnel et ces courants Josephson pour détecter de façon ultrasensible un champ magnétique.
12.	Pierre Gilles DE GENNES (France, 1932-2007, Prix Nobel 1991)
	Les travaux et découvertes de ce physicien français sur les cristaux liquides et les polymères, lui valurent le Prix Nobel de Physique en 1991. Après sa thèse au Comissariat de l'Énergie Atomique (CEA) sur le magnétisme des métaux et des alliages, De Gennes rejoint le laboratoire de physique des solides d'Orsay créé par les professeurs André GUINIER, Jacques FRIEDEL et Raimond CASTAING. Dans ce nouveau poste il s'intéressera aux supraconducteurs et vérifiera la théorie BCS en pratique.
	On lui doit la fondation du Groupe de supraconductivité d'Orsay - une équipe formée de quatre chercheurs (Guy DEUTSCHER, Étienne GUYON, Jean-Paul BURGER, Alexis MARTINET) et de quelques théoreticiens (Christiane CAROLI, Jean MATRICON, Jean-Paul HURAULT). Il ne s'occupera de la supraconductivité avec son Groupe que pendant une courte période - de 1962 à 1967. Cependant ces travaux, quoique de courte durée, effectuées sur des couches minces métalliques, mettront en évidence la supraconductivité de surface et d’autres prédictions théoriques de de Gennes, comme l’absence de bande interdite dans les supraconducteurs en champ élevé à l’aide d’expériences d’effet tunnel, la possibilité d’induire de la supraconductivité dans un métal normal en proximité  avec une couche supraconductrice, etc. Une caractéristique  fondamentale de la recherche inspirée par de Gennes, qui a attiré des physiciens du domaine entre les années 1960 et 1968, a été le travail en équipe qu’il a fait fonctionner associant largement expérimentateurs et théoriciens, où le chef d’orchestre savait être discret pour mettre en avant les jeunes que ses propres travaux inspiraient.
13-14.	Georg BEDNORZ (Allemagne, 1950-, Prix Nobel 1987) et Alex MÜLLER (Suisse, 1927-, Prix Nobel 1987)
	Le physicien allemand Georg BEDNORZ et son collègue suisse Alex MÜLLER ont publié en 1986 un article qui a révolutionné l'étude du domaine de la supraconductivité : ils y ont décrit leur découverte d'une nouvelle famille de métaux - les cuprates, qui deviennent supraconducteurs à une température critique (Tc) anormalement élevée : -238C° soit 35,15 K.
	Les deux savants sont spécialistes des pérovskites (par exemple : SrTi03)) qui sont des oxydes aux propriétés structurales et ferroélectriques particulières. Ils étudient leurs propriétés à basse température et décident à partir de 1983 d’y chercher la supraconductivité. En 1985, ils commencent à étudier des matériaux à base de baryum, de cuivre et de lanthane découverts peu avant par Bernard RAVEAU et son groupe de chercheurs à Caen. Apres les avoir synthétisé, ils ont fait varier le nombre d'électrons dans ceux-ci en changeant systématiquement les proportions du baryum et du lanthane.
	Ces deux chercheurs s'apperçoivent en début 1986, que l'un de ces composés présente une supraconductivité à une température record. Ils publient leur découverte, en titrant avec prudence " Possible supraconductivité à haute température critique dans Ba-La-Cu-O", car à la date de la parution de leur article, ils n'avaient pu encore mesurer l'effet de Meissner - effet qu'ils pourront mesurer un an plus tard.

fig.280-3 : Aimant en lévitation au-dessus d'un supraconducteur	fig.281-3 : Utilisation pratique des supraconducteurs dans la vie de tous les jours - le MAGLEV japonais dont la vitesse moyenne de croisière est de 581 km/h

fig.282a-3 : Vu de face du fonctionnement d'un véhicule MAGLEV		fig.282b-3 : Vue d'oiseau du principe de fonctionnement d'un véhicule MAGLEV

V.	Quels types de supraconducteurs pouvons-nous différencier ?
	Il existe plusieurs types de supraconducteurs. Chacun de ces groupes-là se comporte différemment et devient supraconducteur à différentes Tc.
1.	les cuprates
2.	les pnictures
3.	les cobaltates
4.	les fullerènes
5.	les MgB2
6.	les supraconducteurs organiques
7.	les fermions lourds
AD 1.	LES CUPRATES
	Les cuprates (oxydes de cuivre) sont à l'heure actuelle les meilleurs supraconducteurs, étant donné que leur Tc est de 138 K soit -135C°. Cette famille de métaux a été découverte par les physiciens Bednorz et Müller, en 1986. Leur composition et leur structure est pourtant relativement simple : il s’agit de mille-feuilles où des couches d’atomes s’empilent les unes sur les autres. Dans tous les cuprates, on retrouve en particulier des couches de cuivre et d’oxygène à la structure en carré. Le nombre d’électrons dans ces couches peut y être modifié en oxydant le matériau ou bien en modifiant sa composition chimique - dans ce cas-là on parle alors de "dopage".

fig.283-3 : Cristaux de cuprate vus sous microscopie électronique	fig.283b-3 : Composition d'une cellule de cuprate supraconducteur à haute température critique - le BSCCO-2212

AD 2.	LES PNICTURES
	Les pnictures tout comme les cuprates sont des supraconducteurs non-coventionnels tandis que les métaux, les alliages et les intermétalliques appartiennent au groupe des supraconducteurs conventionnels. La structure lamellaire des pnictures est très proche de celle des cuprates, et leurs propriétés en fonction du nombre d’électrons semble également très analogue : magnétiques ou supraconducteurs. Mais de nombreuses différences ont également été mises en évidence. Quand ils sont magnétiques, les pnictures sont des métaux, alors que les cuprates sont des isolants.

fig. 284-3 : Échantillon de pnicture

AD 3.	LES COBALTATES
	Ces oxydes du cobalt ont d'étonnatnts pouvoirs thermoélectriques : ils convertissent la chaleur en électricité mieux qu'aucune autre matière. Mais ces matériaux ne sont pas supraconducteurs. Sauf si on insère des molécules d'eau entre les plans de sodium et de cobalt, alors ils deviennent supraconducteurs en dessous de 4 kelvins, c'est-à-dire - 269°C.
AD 4.	LES FULLERÈNES
	Les fullerènes sont des agrégats moléculaires de carbone de forme creuse dont la plus simple et la plus symétrique est la molécule de C60 formée en associant 20 hexagones et 12 pentagones, comme sur un ballon de football. Les fullerènes sont similaires au graphite, composé de feuilles d'anneaux hexagonaux liés, mais contenant des anneaux pentagonaux et parfoi heptagonaux, ce qui empêche la feuille d'être plate. Les fullerènes ont un diamètre de 0,7 nanomètres.
	Ce solide formé de molécules neutres est isolant, mais il est facile d’insérer des atomes dans les importants vides intermoléculaires. Ainsi on peut constituer des solides AnC60 dans lesquels les n alcalins A s’ionisent et cèdent leurs électrons aux boules de C60. Celui formé de 3 alcalins pour un fullerène est supraconducteur. Par exemple, Rb3C60 a une température critique (Tc) de 27 K (-246°C). En appliquant une forte pression au composé Cs3C60, la Tc peut même augmenter jusqu'à 40 K. La structure moléculaire de ce composé lui confère des propriétés supraconductrices remarquables. La forte compressibilité de ces matériaux permet, en appliquant une pression qui réduit la distance entre fullerènes, d’augmenter le caractère métallique et d'augmenter la Tc.

fig.285-3 : La molécule de fullerène C60 ayant une grande ressemblance avec un ballon de football.

AD 5.	LES MgB2
	Le composé MgB2 ou Diborure de magnésium est  supraconducteur jusqu’à la température de 40 K (soit -233°C). Suite à l'anonce des chercheurs japonais dirigés par le Professeur Jun AKIMITSU en décembre 2000 concernant ce composé oublié, à la structure cristallographique si simple, de nombreuses études théoriques et expérimentales abordent le problème de l’origine de la supraconductivité. Très rapidement les chercheurs concluent à un mécanisme conventionnel, suivant le modèle BCS, mais avec une originalité qui booste la température d’apparition de la supraconductivité : il y a deux familles d’électrons qui coexistent dans ce matériau, avec des propriétés différentes, et qui se couplent différemment avec les vibrations des atomes (ce couplage est la clé du modèle BCS). Il a fallut moins de deux ans pour résoudre ce problème, ouvrant ainsi de nouvelles voies théoriques.
AD 6.	LES SUPRACONDUCTEURS ORGANIQUES
	Dans  ces matériaux, constitués par l'empilement colonnaires de molécules organiques capables d’acquérir une charge positive en présence d’un ion inorganique ou d’une molécule accepteuse d’électrons, le transport électrique est unidimensionnel suivant l’axe des empilements. Le diagramme de phase, pression-chimie-température-champ magnétique  révèle un foisonnement de nouvelles propriétés physiques inédites jusque là. Les supraconducteurs organiques unidimensionnels ne nous proposent que de modestes températures critiques de l’ordre du degré Kelvin mais une variante cristallographique de ces matériaux dans laquelle le transport s’effectue suivant des plans (des systèmes lamellaires) a permis d’augmenter la température critique jusqu’à 14 K. Dans ces supraconducteurs organiques de basse dimensionnalité nous retrouvons les propriétés caractéristiques d’autres systèmes unidimensionnels tels les nano tubes de carbone ou bien bidimensionnels inorganiques comme les cuprates et les pnictures.
AD 7.	LES FERMIONS LOURDS
	Les composés à fermions lourds sont des matériaux dans lequels les électrons peuvent être 1000 fois plus lourds qu’un électron isolé. Les électrons se meuvent dans ce matériau 100 fois moins vite que dans un métal normal, et deviennent en plus supraconducteurs à très basse température. Malgré le "poids" de leurs électrons, les fermions lourds restent toujours de bons conducteurs d’électricité. Ils peuvent même devenir supraconducteurs avec des propriétés extraordinaires et parfois uniques par comparaison aux autres matériaux supraconducteurs.
	C’est à très basse température que la supraconductivité dans les fermions lourds a été découverte. Il a fallu refroidir très près du zéro absolu, parfois à moins du dixième de Kelvin. Mais en comparant leur température critique, non pas à la température de la pièce, mais à la température (énergie) des électrons qui portent le courant, alors elle apparaît extraordinairement chaude.

	EXEMPLES	TCmax(K)	Théorie	Type	BCmax(T)	ξ(nm)	λ (nm)
Métaux	Hg	qq K	BCS	I	de l’ordre de 0.01 à 0.1	de l’ordre de 1000 nm	65
Alliages	Nb3Sn	18 K	BCS	II	24	3	65
Diborure de magnésium	MgB2	39 K	BCS à 2 bandes	II	Jq  50 T	15 nm	50 nm
Fermions lourds      Lanthanides      Actinides	CeCoIn5 PuGaIn5	2.5 K 18.5 K	?	II	> 10 T    27 T	12	600
Supraconducteurs organiques	k-BEDTTTF2 CuNCS2 ...	10.5	?	II		1 à 10	980
Fullerènes	K3C60 Cs3C60	40 K	?	II	jq 30 T	3	240
Cuprates	YBa2Cu3O7	92	?	II	115 T	0.5 à 2.5	150 à 500
Pnictures	Ba(Fe1-xCox)2As2	56	?	II	~60 T	qq nm	qq centaines
fig.286-3 : Tableau de comparaison des superconducteurs d'après le livre "Superconductivity, Physics and applications" de K. Fossheim & A. Sudbo, Wiley & Sons ed.

 

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